Proiectarea cu Micro-Procesoare

Lector: Mihai Negru

An 3 – Calculatoare și Tehnologia Informației

Seria B

Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca

Departamentul Calculatoare

Curs 1: Introducere

http://users.utcluj.ro/~negrum/

http://users.utcluj.ro/~negrum/

2019

• Obiective• Cunoaşterea, înţelegerea şi utilizarea conceptelor: microprocessor, magistrală,

memorie, sistem de intrare-ieşire, metode de transfer a datelor, interfeţe.

• Analiza şi proiectarea sistemelor cu microprocessor.

• Cunoștințe preliminare necesare– Proiectare Logică, Proiectarea sistemelor numerice, Arhitectura Calculatoarelor,

Programare în Limbaj de Asamblare, Programarea Calculatoarelor (C/C++)

• Structura disciplinei– 2C + 1L + 1P / săptămână

• Structura cursului• Partea 1 – ATMEL (ATmega2560, Arduino) și aplicații• Partea 2 – aspecte ale proiectării sistemelor cu microprocesor (exemplificate folosind

familia x86)

• Tematica laboratorului– Lucrări practice folosind plăci Arduino (ATmega2560 (MEGA2560),

ATmega328P(UNO)) și multiple module periferice (modules)

Introducere

Cluj-Napoca 2

2019

• Slide-urile de curs, disponibile pe site:

– http://users.utcluj.ro/~negrum/src/html/dmp.html

• Microcontrolere– G. Grindling, B. Weiss, Introduction to Microcontrollers, Vienna Univ. of Technology,

2007: https://ti.tuwien.ac.at/ecs/teaching/courses/mclu/theory-material/Microcontroller.pdf

• Atmel AVR, Arduino– M. A. Mazidi, S. Naimi, S. Naimi, The AVR Microcontroller and Embedded Systems

Using Assembly And C, 1-st Edition, Prentice Hall, 2009.– Michael Margolis, Arduino Cookbook, 2-nd Edition, O’Reilly, 2012.

• Familia 8086– Barry B. Brey, The Intel Microprocessors: 8086/8088, 80186,80286, 80386 and

80486. Architecture, Programming, and Interfacing, 4-rd edition, Prentice Hall, 1997– S. Nedevschi, L. Todoran, „Microprocesoare”, editura UTC-N, 1995, Biblioteca UTCN

• Documente suplimentare– Data sheets Atmel, Intel etc.– Tuturiale Arduino: https://www.arduino.cc/en/Tutorial/HomePage

Bibliografie

Cluj-Napoca 3

http://users.utcluj.ro/~negrum/src/html/dmp.htmlhttps://ti.tuwien.ac.at/ecs/teaching/courses/mclu/theory-material/Microcontroller.pdfhttps://www.arduino.cc/en/Tutorial/HomePage

2019

• Evaluare: nota examen (E) + nota laborator / proiect (LP)

• Bonus – se poate acorda pentru activitate deosebită la curs /laborator, sau pentru participarea la concursuri studențești dehardware

Evaluare

Cluj-Napoca 4

if (LP > = 5) AND (E > = 4.5)

Final_mark = 0.5 * LP + 0.5 * E

else

Final_mark = 4 OR Absent

2019

• Un microprocesor încorporează toate sau majoritatea funcțiilor unei unitățicentrale de procesare într-un singur circuit integrat.

• O unitate centrala de procesare (Central Processing Unit, CPU) este o mașinalogică ce poate executa programe de calculator.

• Funcția fundamentală a oricărui CPU, indiferent de forma fizica pe care o are,este sa execute o secvență de instrucțiuni (programul), stocate într-o memorie.Execuția instrucțiunilor se face de obicei în patru pași: citire instrucțiune (fetch),decodificare (decode), execuție (execute) si scriere rezultate (write back).

Ce este un microprocessor?

Cluj-Napoca 5

Intel 80486DX2 – interior Intel 80486DX2 – vedere exterioara

http://en.wikipedia.org/wiki/Intel_80486DX2http://en.wikipedia.org/wiki/Intel_80486DX2

2019

• Microprocesoare

– 4 bit: Intel's 4004 (1971), Texas Instruments (TI) TMS 1000, si Garrett AiResearch'sCentral Air Data Computer (CADC).

– 8 bit: 8008 (1972), primul procesor pe 8 biți. A fost urmat de Intel 8080 (1974), ZilogZ80 (1976), si alte procesoare derivate pe 8 biți de la Intel. Competitorul Motorola alansat Motorola 6800 in August 1974. Arhitectura acestuia a fost clonată siîmbunătățita in MOS Technology 6502 in 1975, cu popularitate similara lui Z80 in anii1980.

– 16 bit (Intel 8086, 80186, 80286, 8086 SX, TMS 9900)

– 32 bit (MC68000, Intel 80386DX, 80486DX, Pentium, MIPS R2000 (1984) si R3000(1989) etc.)

– 64 bit (majoritatea procesoarelor moderne)

• Tipuri:

– RISC: MIPS (R2000, R3000, R4000), Motorola 88000, AVR

– CISC: VAX, PDP-11, Motorola 68000, Intel x86

Scurtă istorie

Cluj-Napoca 6

2019

Sisteme cu microprocesor

Cluj-Napoca 7

Dispozitive esențiale: CPU, Memorie, I/O

Dispozitive adiționale: Controller întreruperi, DMA, coprocesor, etc

2019

Exemplu: placă de bază PC

Cluj-Napoca 8

2019

Microcontroler (MCU)

Cluj-Napoca 9

Multiple componente ale unui sistem cu microprocesor sunt incluse in

același circuit integrat – Microcontroler

• Memorie RAM si ROM (Flash), pentru program si date

• Unele dispozitive periferice (Timer, Numărător, Controllere pentru comunicații

seriale / paralele, etc.)

2019

• Obiectiv general: utilizarea microprocesoarelor (microcontrolerelor) îndezvoltarea de sisteme electronice adaptate unor probleme specifice.

• Exemple de aplicații: roboți autonomi, senzori inteligenți, senzori mobili,procesare de semnal audio, procesare de imagini, controlul automat al unor

procese, etc.

• Pașii pentru îndeplinirea acestui obiectiv:

– Studiul capabilităților microcontrolerului, familiarizarea cu programarea acestuia

– Studiul resurselor integrate in microcontroler si resurselor disponibile pe placacu microcontroler

– Studiul dispozitivelor externe necesare pentru rezolvarea unor problemespecifice

– Studiul interfețelor de comunicare, a formatului datelor, si a diagramelor detimp, necesare pentru conectarea microcontrolerului la dispozitivele externe.

Proiectarea cu Microprocesoare

Cluj-Napoca 10

2019

• Exemplu: proiectarea unui robot capabil să se deplaseze autonom, evitândobstacolele, sau sub controlul unui operator uman, sau ghidat de o bandă deculoare închisa.

Proiectarea cu Microprocesoare

Cluj-Napoca 11

Microcontroler: AVR ATMega328, placă Arduino,

programare in C/C++

Componente interne: porturi I/O, întreruperi, interfață

de comunicare seriala, generator PWM

Componente externe: motoare DC, 1 motor servo,

senzori de reflectivitate, punte H, senzor de

distanta sonar, modul de comunicare Bluetooth.

Comunicare: seriala, tip UART, intre MCU si modulul

Bluetooth, PWM intre MCU si servo, si intre MCU

si puntea H, semnal analogic de la senzorii de

reflectivitate, puls digital intre sonar si MCU.

Algoritmi: scanare mediu si detecția obstacolelor,

urmărirea liniei, controlul roților pentru mersul in

linie dreapta, etc.

2019

• Exemplu: proiectarea unui robot capabil să se deplaseze autonom, evitândobstacolele, sau sub controlul unui operator uman, sau ghidat de o bandă deculoare închisa.

Proiectarea cu Microprocesoare

Cluj-Napoca 12

2019

• Exemplu: proiectarea unui robot capabil să se deplaseze autonom, evitândobstacolele, sau sub controlul unui operator uman, sau ghidat de o bandă deculoare închisa.

Proiectarea cu Microprocesoare

Cluj-Napoca 13

2019

Familia de microcontrolere Atmel AVR 8 biți

Cluj-Napoca 14

• Arhitectura RISC

• Execuție 1 instrucțiune / ciclu

• 32 regiștri de uz general

• Arhitectura Harvard

• Tensiune de alimentare 1.8 - 5.5V

• Frecventă controlată software

• Mare densitate a codului

• Gama larga de dispozitive

• Număr de pini variat

• Compatibilitatea integrală a codului

• Familii compatibile între pini și capabilități

• Un singur set de unelte de dezvoltare

tinyAVR

1–8 kB memorie program

megaAVR

4–256 kB memorie program

Set extins de instrucțiuni (înmulțire)

XMEGA

16–384 kB memorie program

Extra: DMA, suport pentru criptografie

AVR specific pentru aplicațiimegaAVR cu interfețe particulare: LCD, USB, CAN etc.

2019

Arhitectura generală a unui microcontroler AVR

Cluj-Napoca 15

• Mașină RISC (Load-Store cu doua adrese)

• Arhitectura Harvard modificată

• exista instrucțiuni speciale care pot citi datele

din memoria program

• Pipeline pe doua nivele: Fetch & Execute

2019

Diagrame de timp AVR

Cluj-Napoca 16

Execuția instrucțiunilor aritmetico-logice

Pipeline asigură suprapunerea citirii următoarei instrucțiuni cu execuția celei curente

2019

Diagrame de timp AVR

Cluj-Napoca 17

Instrucțiunile care accesează memoria interna SRAM

2 cicluri de ceas / instrucțiune

2019

Registri de uz general (General Purpose Registers – GPR)

Cluj-Napoca 18

• Valori imediate se pot încarcă doar in regiștrii R16-R31

• Regiștrii R26 – R31 sunt folosiți în perechi ca și pointeri

• Fiecare registru are și o adresă în spațiul memoriei de date – adresare uniformă

2019

Operații cu regiștri

Cluj-Napoca 19

• Copiere datemov r4, r7

• Lucrul cu valori imediate – posibil doar cu regiștrii r16 – r31ldi r16, 5

ori r16, 0xF0

andi r16, 0x80

subi r20, 1

• Operații aritmetice și logice între regiștriadd r1, r2

or r3, r4

lsl r5

mul r5, r18 – r1:r0 = r5*r18

rol r7

ror r9

inc r19

dec r17

2019

• Primele 32 de adrese – blocul de regiștri

• 64 de adrese – regiștri I/O accesabili prininstrucțiuni speciale

• 160 adrese – spațiu I/O extins, accesabil prininstrucțiuni standard de acces la memorie

• SRAM, de ordinul Kbytes (2, 4, 8 …)

• Posibilitate de extensie pana la 64 KB

• Constanta predefinita RAMEND marcheazăsfârșitul memoriei de date interne

Memoria de date

Cluj-Napoca 20

RAMEND

2019

• Accesarea directă a memoriei de datelds r3, 0x10FE

lsl r3

sts 0x10FE, r3

• Accesarea indirectă a memoriei de date, prin intermediul regiștrilor X, Y, Zldi r27, 0x10 octetul superior al lui X este r27

ldi r26, 0xFE octetul inferior al lui X este r26

ld r0, X

lsl r0

st X, r0

• Accesarea cu autoincrementare/decrementare a adreseild r0, X+ se accesează locația X, apoi se incrementează X

ld r0, +X se incrementează X, apoi se accesează locația X

ld r0, X-

ld r0, -X

Operații cu memoria de date

Cluj-Napoca 21

2019

• Memorie flash, pentru programarea aplicațiilor

• Organizată în cuvinte de 16 biți

• Două secțiuni: Boot și Aplicație

• Cel puțin 10.000 cicluri scriere/ștergere

• Constante pot fi declarate în segmentul de cod,ele vor fi stocate în memoria program

• Accesarea memoriei program:

• Citirea – accesul este la nivel de BYTE, adresarea se face doar prin pointerul Z

LPM r5, Z

LPM r5, Z+

LPM r0 este destinație, Z adresa

• Scrierea – doar pe cuvânt

SPM PM(Z)

2019

• Registrul SREG (8 biți) conține informații despre starea sistemului și rezultatulunor operații

• Folosit pentru modificarea comportamentului programului sau pentru salturicondiționate

• Nu este salvat automat la apelul procedurilor sau la execuția întreruperilor!

• I – activarea globala a întreruperilor• T – bit de transfer, poate fi copiat prin instrucțiunile BLD și BST din alt registru• H – carry între jumătăți de octet, folositor pentru operații BCD• S – N xor V, pentru teste între numere cu semn• V – indicator de overflow la operații în complement fata de 2• N – indicator de rezultat negativ• Z – indicator al unui rezultat nul• C – carry

Registrul de stare SREG

Cluj-Napoca 23

2019

• Salturi necondiționateRJMP – salt relativ, PC +- 2KBJMP – salt absolutIJMP – salt indirect, la adresa indicata de pointerul Z

• Salturi condiționateCP, CPI – compară doua numereBREQ – salt daca flagul Z este setat (numerele comparate sunt egale)BRNE – salt daca numerele nu sunt egaleBRCS – salt daca flagul C este setatSBRS – sare peste următoarea instrucțiune daca un bit într-un registru e setat

SBRS r5, 2 – daca bitul 2 din reg. 5 este setat, execută saltulSBRC, SBIS, SBIC (I/O register set/clear)

• Apeluri de procedurăRCALL, CALL, ICALL – se salvează adresa de revenire în stiva, nu se salvează nimicaltceva

• Revenire din procedurăRET – extrage adresa de revenire din stivă și execută salt la această adresă

Instrucțiuni de salt

Cluj-Napoca 24

2019

Exemple

Cluj-Napoca 25

C AVR ASM

C

AVR ASM

2019

Exemple

Cluj-Napoca 26

C

AVR ASM

2019

Exemple

Cluj-Napoca 27

C AVR ASM

2019

Exemple

Cluj-Napoca 28

C AVR ASM

2019

Exemple

Cluj-Napoca 29

C AVR ASM

2019

Microcontrolerul AVR Atmega 2560

Cluj-Napoca 30

2019

• 135 Instrucțiuni, majoritatea executate pe 1 ciclu de ceas• 32 regiștri pe 8 biți• Memorie program Flash reprogramabilă – 256 K Bytes• Memorie EEPROM – 4 K Bytes• Memorie SRAM internă – 8 K Bytes• Cicluri de citire/scriere posibile: 10,000 Flash / 100,000 EEPROM• Pană la 64 KB spații de adresă pentru memoria externa

• Periferice integrate pe chip• Două temporizatoare / numărătoare pe 8-biti• Patru temporizatoare / numărătoare pe 16 biți• 4 canale PWM pe 8 biți, 12 canale PWM pe 16 biți• 16 canale de conversie Analog / Digital pe 10 biți• 4 interfețe programabile USART• Interfață SPI• Interfață two-wire (TWI), similară cu I2C• Generare de întreruperi prin schimbarea stării pinilor

Date tehnice Atmega 2560

Cluj-Napoca 31

2019

• Plăci cu microcontroler, și unelte de dezvoltare software open source

• Ascunde detaliile specifice diferitelor microcontrolere, folosind o abordareunificată

• Este disponibilă o largă mulțime de placi, shield-uri și accesorii

• O cantitate impresionantă de documentație gratuită sau contra cost

• O cantitate impresionantă de exemple pentru orice problemă

• Site web: www.arduino.cc

• Distribuitori in Romania: www.robofun.ro

Arduino

Cluj-Napoca 32

http://www.arduino.cc/http://www.robofun.ro/

2019

• Bazată pe microcontrolerul ATMega2560, pe 8 biți

• 54 pini de I/O digitali

• 16 pini de intrare pentru semnale analogice

• 4 porturi de comunicare serială UART

• Frecvența procesorului: 16 MHz

• Alimentare și programare prin cablu USB

Arduino Mega 2560

Cluj-Napoca 33

2019

• Aprindere intermitentă a unui LED, conectat la un pin digital deieșire (digital output)

Un exemplu de program Arduino

Cluj-Napoca 34

2019

Un exemplu de program Arduino

Cluj-Napoca 35